燃烧与应用二

式中Lmix、Lg、La 燃气、空气及混合气体的体积流量（m3 / s）;
ma 空气的质量流量（kg / s）；
Fj 喷嘴的出口截面积（m2）;
mix、g、a 燃气、空气及混合气体的密度（kg / m3）；
s g 燃气的相对密度； a
u ma 质量引射系数； mg
us La 容积引射系数。 Lg
混合管末端的速度场不均匀系数与气流的稳定程度和流动状态有关， 当混合管长度为5~6倍喉部直径时，ψ1=1.02~1.04。混合管较 短，ψ1较大。
扩压管的能量损失主要与扩张度n、扩张角及入口速度场不均匀系数 有关，扩压管效率与阻力系数的关系如下：
d
1
n2 n2
1
d
式中d 扩压管效率。
最有利的扩张角为6°~8°，对于大气式燃烧器，一般取n=2~3.
燃气流出喷嘴的速度场接近矩形，故取ψ1 =1，因此v1’=v1；引射 器喉部速度场具有不均匀性，故v3’= ψ1v3。
对于常压吸气低压引射装置，由于一次空气在吸入口的流速很小， 故动量方程式（1-1）中略去了空气的动量。
对于低压燃气，忽略其可压缩性，可得：
mg Lg g v1 Fj a (1 2)
在扩压管内混合气体的动压进一步转化为静压，速度从v3降 至v4，压力从P3升至P4。混合气体在扩压管出口总的静压力 为h。该静压力即为头部所需的静压力。
在扩压管入口混合气体的速度场应达到均匀，否则将降低扩 压管的效率。
Company Logo
二、常压吸气低压引射器的基本方程式 引射器的计算以动量定理、连续性方程及能量守恒定律为基础。其
Company Logo
mmix Lmix mix v3 Ft a (1 3) mmix mg ma mg (1 u) (1 4)
Lmix Lg La Lg (1 us) (1 5)
mix
mmix Lmix
g
1 u 1 us
(1 6)
计算主要是混合管的计算。在混合管内燃气和空气的混合过程十分 复杂，混合时产生撞击和摩擦损失，其中撞击损失属于完全非弹性 体的阻力性质，因此混合管的计算最好采用动量定理进行。计算时 取吸气收缩管的入口和混合管的出口截面为计算截面，这样可以不 考虑极为复杂的气流混合过程。 取A-A、B-B两截面建立动量方程式：
Company Logo
如果吸气收缩管做的较小，被吸入的空气流速较大，气流在 收缩管内发生强烈的扰动，这时空气流速便不可忽略，这样 的引射器称为负压吸气引射器，也称第一类引射器。在这种 引射器内燃气与空气的速度差很小，气流在混合管内的能量 损失较小，因此引射效率较高。设计这类引射器时要求吸气 收缩管的形状合理，否则在此产生附加损失。如果附加损失 大于混合管内所减少的能量损失，则引射效率反而会降低。 高中压大气式燃烧器的引射器多数为负压吸气引射器。
计算X值：
1 1 A2 1 1 0.8512
X
0.845
A
0.851
计算引射器喉部面积：
F1 XF1op 0.845 0.917 0.775 Ft F1Fp 0.775 459.75 356.3
dt
4
Ft
21
取喉部直径：dt=21mm。
Company Logo
第四章 全预混燃烧技术
Company Logo
（1-1）中： h h2 h1 式中h1 混合管中恢复的静压力（Pa）。
（1-1）的速度原应用动量平均速度，引入速度场不均与系数后， 就可用流量平衡速度来表示：
v' 1v 式中v'动量平均速度； v 流量平均速度。
速度场不均匀系数ψ1决定于速度场的分布状况，对于抛物线速度场， ψ1 =1.33；对于稳定的紊流速度场（Re=1000）， ψ1 =1.02； 对于矩形速度场， ψ1 =1。
u)(1 F2
us)
( mix
d
n2 1) n2
(1 11)
Company Logo
将式（1-9）、式（1-11）代入式（1-7），整理后得出：
h H
22 F
K2(1 u)(1 us) F2
(1 12)
式中K 能量损失系数。
K
21
mix d
n2 1 n2
式（1-12）是常压吸气低压引射器的基本计算公式，它表示了压头 h/H、引射器的几何尺寸F及引射器工作参数u之间的关系。该式也 是引射器的特性方程式。
喷嘴流量系数；
n Fd 扩压管的扩张程度； Ft
Fd 扩压管的出口截面积；
d
扩压管阻力损失系数，
相当于扩压管的进口速度；
d
将式（1-2）、式（1-3）、式（1-5）、式（1-6）代入式（1-8）
和式（1-10），并将式（1-8）减去（1-10），整理后得出：
hmix
h
2
v12 2
g
(1
当n＞3时，随着n的增加，h/H值几乎不变，但引射器尺寸却加大
很大，因此一般不采用n ＞3。
由上述分析可知，引射器形状、尺寸及阻力特性不同时，能量损失 系数K值也不相同。引射器的形状及尺寸往往要根据实验资料确定。
Company Logo
下图中给处了三种引射器的形状及尺寸比例。其中1型引射 器为最佳，能量损失系数K值最小，但引射器最长。2型和3 型引射器阻力较大，但长度较短。当喷嘴前燃气压力较高， 允许有较大的能量损失时，可采用后两种形式。图中给出的 K值系平均值，根据混合气体的流动状态及引射器的加工质 量，K值可能有10%的波动。
计算喷嘴直径：1.70mm；
相应的喷嘴截面积为Fj=0.25*3.14*1.702=2.27mm2；
计算最佳燃烧工况参数：
F1op
K K1
式中K为引射器能量损失系数；
K1为燃烧器头部的能量损失系数；
Company Logo
计算头部能量损失系数K1。选取火孔流量系数μp=0.75，火孔阻力 系t=数1ζ0p0=℃（。1则-μ：p2）/μp2=0.778，混合气体在火孔出口的温度
推导特性方程式（1-12）时，μ及K值被假定为是常数，并 且通常是在最佳工况下由实验得出。当实际工况与最佳工况 不符时，系数μ与K值将发生变化，式（1-12）的准确性将 降低。引射器内实际压力分布曲线与最佳工况时的压力分布 曲线也略有差异、因此，式（1-12）只是引射器的近似计 算公式。尽管如此，在工程上常见的工况变化范围内，特性 方程式（1-12）的准确度完全可以满足实际需求。
K1
p
2
273 273
t
1
0.778
2
273 100 273
1
2.5
F1op
K 1.095 K1
而火孔总面积Fp=459.75mm2； 那么根据公式：
A K(1 u)(1 us)Fj 3 (111)(111 0.57)2.27 1.18
Fp F1op
459.75 1.095
A＞1，表明燃烧器不能保证所要求的引射能力，需重新选型： 选取2型引射器，重新进行进算： 2型引射器K为2.1，重新计算得出：
mix
（1 8）
式中 mix 摩擦阻力系数；
mix
lmix dt
式中 摩擦系数；
lmix 混合管长度； d t混合管喉部直径。
Company Logo
根据能量守恒定律建立以下方程式：
对喷嘴:
H 2
v12 2
g
（1 9）
对扩压管：h2
v32 2
mix
(
n2 n2
1
d
)
（1 10）
式中H 喷嘴前燃气压力；
Company Logo
K1
p
2
273 273
t
1
0.778
2
273 100 273
1
2.5
F1op
K 0.917 K1
A K(1 u)(1 us)Fj 2.1 (111)(111 0.57)2.27 0.986
Fp F1op
459.75 0.917
A＜1，说明燃气压力有剩余，故以非最佳工况作为计算工况：
将式（1-2）~(1-6)代入式（1-1）中，整理后得出：
Company Logo
2 F
v12 2
g
1 1
(1
u
7)
式中F 无因此面积。
F Ft Fj
无因此面积F是引射器计算的基本参数。
引射器混合管的摩擦阻力损失按下式计算：
hmix
mix
v32 2
mgv1 mmix1v3 Ft (h hmix h2 ) (1 1) 式中mg , mmix 燃气和混合气体的质量流量（kg / s）; v1 喷嘴出口的燃气速度（m / s）; v3 引射器喉部的速度（m / s）; h 引射器出口的静压力（Pa）； h2 扩压管恢复的静压力（Pa）； hmix 混合管中的摩擦阻力损失（Pa）； Ft 引射器喉部截面积（m2）; 1 速度场不均匀系数。
us)2F
0
Company Logo
由此得最佳无因此面积：
Fop K(1 u)(1 us) (1 13) 将式（1 13）代入式（1 12）得最大无因次压力
（h H
） max
2 Fop
Company Logo
三、引射器的形状及能量损失系数
混合管的摩擦系数ζmix与混合管的气体流动状态、加工质量和长度 有关，通常取ζmix =0.06~0.12。
五、燃烧器低压引射器的计算 引射器按工质压力可分为低压及高中压两种；按被引射的气体
的吸入速度可分为常压吸气及负压吸气两种。 工质压力低于20000Pa的，称为低压，高于20000Pa的，
称为中高压。中高压引射器的计算要考虑气体的可压缩性，而 低压不需考虑。因此，低压和高中压引射器的计算式有区别的。 如果引射器的吸气收缩管做的足够大，并渐渐过渡到圆柱形混 合管，这时被引入的空气在收缩管内的流速很小，可以略去不 计。这样的引射器称为常压吸气引射器，也称第二类引射器。 这种引射器由于吸气收缩管做的比较大，不会破坏喷嘴的自由 射流结构，因此可以利用自由射流的规律进行计算。该自由射 流的张角通常为25°~29°，在比喉部直径大30%处射流 与管壁接触。在射流与管壁接触之前为吸入段。在吸入段内静 压力可认为是常数，并等于大气压力。低压大气式燃烧器的引 射器多为常压吸气引射器。
本节主要讲常压吸气低压引射器的计算。
Company Logo
一、引射器的工作原理 下图示出了常压吸气低压引射器的工作原理。
Company Logo
质量流量为mg的燃气在压力P1下进入喷嘴，通过喷嘴燃气压 力由P1降至P2，而流速则升高到v1。高速燃气具有很大的动 能，由于气流的动量交换，便将质量流量为ma的一次空气以 v2的速度吸进引射器。动量交换的结果是燃气流速降低，空 气流速增高。由于是第二类引射器，故吸入段的静压可认为 是常数，并等于大气压力，即P2=P0=常数。气流进入混合 管时，速度分布十分不均，在流动过程中燃气动压头进一步 减小，其中一部分传给空气使空气动压增大，一部分用来克 服流动中的阻力损失，另一部分转化为静压力。在混合管出 口速度场呈均匀分布，燃气-空气混合物的速度为v3,静压力 从P2升高到P3。
一、燃气全预混燃烧的特点 1.燃气全预混燃烧是指燃气在燃烧器前与足够的空气进行充
分混合，在燃烧的过程中不再需要供给空气的燃烧方式。 全预混燃烧的火焰传播速度快，燃烧室容积热强度很高，一
般可达28~56x103kW/m2或更高，且能在很小的过剩空 气系数下达到完全燃烧（通常α=1.05~1.1），几乎不存 在化学不完全燃烧现象。因此，燃烧温度很高，但火焰稳定 性较差，易发生回火。为防止回火，应尽可能使气流速度场 均匀，保证在最低负荷下燃烧器上各点的气流速度均大于火 焰传播速度。同时，气流分布均匀也保证了燃烧器表面火焰 的均匀，避免在燃烧器表面上火焰过长，接触到换热器表面 导致不完全燃烧。 2.全预混燃烧方式有效降低污染物的排放 1）全预混燃烧降低了氮氧化物的排放 首先，全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物；其次，全预混燃 烧不产生快速型氮氧化物；最后，全预混燃烧降低了温度型
Company Logo
Company Logo
具体计算过程：
一次空气系数：设计初始已经确定，取α1=0.65； 理论空气量V0：设计初始计算：9.65 NM3/NM3； 计算引射系数u:
u 1V0 0.60 9.65 11
s
0.57
选取引射器形式：
根据设计需要，选取3型引射器，其能量损失系数为K=3；
推导引射器特性方程式（1-12）时假设吸入段的压力保持不变，且 等于大气压力。这就是应用该方程式的限制条件。
根据节能要求，引射器应按最佳工况设计，即当F=Fop时，对应于 给定的引射系数u，应获得最大的h/H值。为此取h/H对F的一次导 数，并使之等于零。
dh H
dF
22
F2
2 K (1
u)(1 F4